Abstract of
DE19960549
According to the invention, the inventive sealed contact bushings for plastic components consist of a glass/plastic compound based on a thermoplastic, which contains a low-melting sulphophosphate glass with the following composition: 4 to 10 % Li2O, 4 to 10 % Na2O, 4 to 8 % K2O, 1 to 2 % CaO, 35 to 37 % ZnO, 0 to 3 % La2O3, 19 to 22 % P2O5 and 19 to 22 % SO3, in addition to a high-performance thermoplastic.
Inventor: OCHSENKUEHN MANFRED (DE); GREINER ROBERT (DE); (+1)
Applicant: SIEMENS AG (DE); OCHSENKUEHN MANFRED (DE); (+2)
EC:C03C3/16; C03C12/00; (+1)
IPC: C03C14/00; C03C3/16; C03C12/00(+10)
Publication info: WO0144361 A1 - 2001-06-21
List of citing documents
1
MACHINE ELEMENTS CONSISTING OF A GLASS/PLASTIC COMPOUND
Inventor: GREINER ROBERT (DE); KAPITZA HEINRICH (DE); (+1)
Applicant: SIEMENS AG (DE); GREINER ROBERT (DE); (+2)
EC:C03C3/16; C03C14/00D; (+3)
IPC: C08J5/00; C03C3/16; C03C14/00(+14)
Publication info: WO0177038 - 2001-10-18
Claims
1. Mediendichte Kontaktdurchführungen bei Kunststoffbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Glas/Kunststoff-Compound auf Thermoplastbasis bestehen, der
- ein niedrigschmelzendes Sulfophosphatglas folgender Zusammensetzung: 4 bis 10% Li2O, 4 bis 10% Na2O, 4 bis 8% K2O, 1 bis 2% CaO, 35 bis 37% ZnO, 0 bis 3% La2O3, 19 bis 22% P2O5 und 19 bis 22% SO3 sowie
- einen Hochleistungsthermoplast
enthält.
2. Kontaktdurchführungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Compound ein Sulfophosphatglas folgender Zusammensetzung enthält: 4,9% Li2O, 9,4% Na2O, 7,1% K2O, 1,6% CaO, 36,6% ZnO, 20,0% P2O5 und 20,4% SO3.
3. Kontaktdurchführungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Compound als Hochleistungsthermoplast ein Polyetheretherketon, ein Polyetherimid, ein Polyphenylensulfid, ein teilaromatisches Polyamid oder ein flüssigkristallines Polymer enthält.
4. Kontaktdurchführungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Compounds an Sulfophosphatglas 15 bis 80 Gew.-% beträgt, vorzugsweise 25 bis 60 Gew.-%.
Description
Die Erfindung betrifft mediendichte Kontaktdurchführungen bei Kunststoffbauteilen.
Für mediendichte Kontaktdurchführungen bei Gehäusen und Umhüllungen von elektrischen und elektronischen Bauteilen, wie Steckverbinder, Sensoren, optoelektronische Bauelemente und Relais, werden bislang unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt. So dient beispielsweise meistens ein thermoplastischer Werkstoff zur Formgebung, während bei einem nachfolgenden Vergiessprozess ein Duroplast-Material verwendet wird, um die geforderte Dichtigkeit und auch die Hitzebeständigkeit des geformten Gegenstandes zu erreichen.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von thermoplastischen "Hart-Weich-Systemen, die beispielsweise durch eine Zweikomponenten-Spritzgiesstechnik hergestellt werden. Dabei werden mit der "Hart-Komponente" die Funktionsflächen, beispielsweise Gehäuse, erzeugt, während die "Weich-Komponente", die beispielsweise ein thermoplastisches Elastomer ist, die Dichtfunktion nach dem O-Ring-Prinzip übernimmt (siehe beispielsweise: "Kunststoffe" Bd. 88 (1998), Seiten 207 und 208). Ferner wurde auch versucht, eine Dichtfunktion dadurch zu erreichen, dass auf die metallischen Durchführungen Haftvermittler aufgebracht werden oder dass die Kunststoff- und Metalloberflächen aktiviert werden, beispielsweise durch eine Plasmabehandlung.
Der Nachteil dieser Vorgehensweisen besteht in einem hohen Prozessaufwand, der in der Vielzahl der Verfahrensschritte begründet ist. Ausserdem bedingt die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe eine nicht unerhebliche Sortenvielfalt, was mit hohen Kosten für das Material, beispielsweise bei Beschaffung und Lagerung, sowie für die Entsorgung verbunden ist. Trotz des erheblichen Aufwandes werden aber hinsichtlich der Dichtigkeit oft nur unzureichende Ergebnisse erzielt.
Aufgabe der Erfindung ist es, mediendichte Kontaktdurchführungen bei Kunststoffbauteilen derart auszugestalten, dass die Dichtigkeit mit Sicherheit gewährleistet ist und dass sie in einfacher Weise und kostengünstig herstellbar sind.
Dies wird erfindungsgemäss durch Kontaktdurchführungen erreicht, die aus einem Glas/Kunststoff-Compound auf Thermoplastbasis bestehen, der
- ein niedrigschmelzendes Sulfophosphatglas folgender Zusammensetzung (in Mol-%): 4 bis 10% Li2O, 4 bis 10% Na2O, 4 bis 8% K2O, 1 bis 2% CaO, 35 bis 37% ZnO, 0 bis 3% La2O3, 19 bis 22% P2O5 und 19 bis 22% SO3 sowie
- einen Hochleistungsthermoplast
enthält.
Durch die Verwendung des speziellen Glas/Kunststoff-Compounds aus einem niedrigschmelzenden Sulfophosphatglas und einem Hochleistungsthermoplast wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktdurchführungen und dem Compound erreicht und damit eine mediendichte Verbindung hergestellt. Dabei ist von Vorteil, dass dies in einem einzigen Arbeitsschritt erfolgt. Aufgrund der Tatsache, dass der Compound, d. h. sowohl das Glas als auch der Kunststoff, bei der Verarbeitungstemperatur im Schmelzzustand vorliegt, erfolgt eine gute Benetzung der Metallkontakte durch die Glasphase und es kommt zu einer ausgeprägten adhäsiven Anbindung des Glases an die Kontaktdurchführungen.
Unter einem "niedrigschmelzenden" Sulfophosphatglas wird ein Glas mit niedriger Glasübergangstemperatur Tg verstanden, insbesondere ein Glas mit Tg < ca. 500 DEG C. Ein "Hochleistungsthermoplast" ist ein Hochleistungskunststoff ("high-performance polymer"), und zwar im vorliegenden Fall ein hochtemperaturbeständiger Kunststoff ("heat-resistant polymer", "high-temperature resistant polymer"). Dies ist deshalb wichtig, weil sowohl die Temperatur bei der Herstellung des Compounds als auch die Verarbeitungstemperatur (des Compounds) > 300 DEG C beträgt.
Das im Glas/Kunststoff-Compound enthaltene Sulfophosphatglas besitzt eine Glasübergangstemperatur im Bereich von 250 bis 280 DEG C; bei der Verarbeitungstemperatur liegt es deshalb im fliessfähigen Zustand vor. Vorzugsweise weist der Compound ein Sulfophosphatglas folgender Zusammensetzung auf (in Mol-%): 4,9% Li2O, 9,4% Na2O, 7,1% K2O, 1,6% CaO, 36,6% ZnO, 20,0% P2O5 und 20,4% SO3. Ein derartiges Glas besitzt eine Glasübergangstemperatur von 268 DEG C. Ein anderes Glas weist beispielsweise folgende Zusammensetzung auf (in Mol-%): 9% Li2O, 5% Na2O, 7% K2O, 1,6% CaO, 37% ZnO, 20,4% P2O5 und 20% SO3 (Tg = 280 DEG C). Ein weiteres Glas hat beispielsweise folgende Zusammensetzung (in Mol-%): 4,8% Li2O, 9,2% Na2O, 6,9% K2O, 1,6% CaO, 35,9% ZnO, 2,0% La2O3, 19,6% P2O5 und 20,0% SO3 (Tg = 275 DEG C).
Als Hochleistungsthermoplast enthält der Glas/Kunststoff- Compound vorzugsweise eines der folgenden Polymere: ein Polyetheretherketon (PEEK), ein Polyetherimid (PEL), ein Polyphenylensulfid (PPS), ein teilaromtisches Polyamid, wie Polyphthalamid (PPA), oder ein flüssigkristallines Polymer (LCP). Bei diesen Polymeren ist die Glasübergangstemperatur der Glaskomponente der Verarbeitungstemperatur des Thermoplastmaterials angepasst. Weitere einsetzbare Hochleistungsthermoplaste sind Polyaryletherketone (PAEK) allgemein, beispielsweise Polyetherketone (PEK), sowie Polysulfone (PSU), insbesondere Polyethersulfone (PES) und Polyphenylensulfone (PPSU).
Der Anteil des Compounds an der Glaskomponente, d. h. am Sulfophosphatglas, beträgt im allgemeinen 15 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 25 bis 60 Gew.-%. Die Verarbeitungstemperatur des Compounds liegt bei etwa 320 bis 420 DEG C. Trotz des hohen Glasanteils besitzt der Compound eine hohe Fliessfähigkeit, so dass damit auch komplizierte und filigrane Bauteile mit Kontaktdurchführungen realisiert werden können.
Die Herstellung des Glas/Kunststoff-Compounds erfolgt vorteilhaft beispielsweise derart, dass aus den beiden Komponenten, d. h. Sulfophosphatglas und Hochleistungsthermoplast, zunächst - bei erhöhter Temperatur (vorzugsweise etwa 320 bis 420 DEG C) - ein Masterbatch mit einem Glasgehalt von 60 bis 90 Gew.-% hergestellt wird. Dabei wurde überraschenderweise gefunden, dass bei der Verwendung von Glaspartikeln (Glaskörner) mit einem Durchmesser </= 1,5 mm im Masterbatch Glasstrukturen im mu m- und sub- mu m-Bereich erhalten werden, die gleichmässig verteilt sind.
Die Weiterverarbeitung erfolgt dann in der Weise, dass durch Zugabe von weiterem Hochleistungsthermoplast zum Masterbatch - bei erhöhter Temperatur (vorzugsweise etwa 320 bis 420 DEG C) - der Glasgehalt beispielsweise auf 25 bis 60 Gew.-% verringert wird. Die Struktur und die homogene Verteilung der Glaspartikel werden dabei nicht beeinflusst, d. h. sie bleiben erhalten. Bei Kontrollexperimenten zeigte sich überraschenderweise, dass Strukturgrösse und -verteilung der beschriebenen Art nicht erhalten werden, wenn unmittelbar von einem Batch beispielsweise mit einem Glasanteil von 15% ausgegangen wird. Gleichmässig verteilte Glasstrukturen, sogar im nm-Bereich, lassen sich vielmehr nur ausgehend von einem Masterbatch mit einem hohen Anteil des speziellen Sulfophosphatglases in einem Hochleistungsthermoplast realisieren.
Wie bereits ausgeführt, liegt der Compound bei der Verarbeitungstemperatur im fliessfähigen Zustand vor. Durch den Aufschmelzvorgang während der Verarbeitung wird stets eine neue, jungfräuliche Glasoberfläche erzeugt, die eine hohe Reaktivität besitzt. Der aufgeschmolzene Compound bzw. das aufgeschmolzene Glas zeigt eine ausgesprochen gute Adhäsionshaftung gegenüber den Kontaktdurchführungen, und es bildet sich - während der Urformung des Bauteils (durch Spitzgiessen) - eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Durchführung und Compound aus, die auch nach dem Abkühlen des Bauteils erhalten bleibt. Diese Verbindung zeigt ausserdem eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit.
Da bei den Kontaktdurchführungen nach der Erfindung der mediendichte Verbund beim Spritzen (Urformen) der Bauteile erzeugt wird, ergibt sich eine Einsparung an Fertigungsschritten. Ausserdem sind keine Vor- und Nachbehandlungen erforderlich, und die Anzahl der eingesetzten Werkstoffe reduziert sich auf ein einziges Material, woraus sich nicht unerhebliche Kosteneinsparungen ergeben. Zusätzlich können - in einem späteren Arbeitsschritt - Anschlüsse dicht eingeschmolzen und positioniert werden oder auch direkt umspritzte Durchführungen nachträglich justiert werden, ohne dass die Dichtigkeit beeinflusst wird.
Die mediendichten Kontaktdurchführungen nach der Erfindung finden insbesondere bei Gehäusen und Umhüllungen folgender elektrischer bzw. elektronischer Bauteile Verwendung: Steckverbinder, Sensoren, optoelektronische Bauelemente, Relais, Pin-Durchführungen in Relaisgrundkörpern und Lead-frames.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Das bei den Untersuchungen eingesetzte Sulfophosphatglas weist folgende Zusammensetzung auf (in Mol-%): 4,9% Li2O, 9, 4% Na2O, 7,1% K2O, 1,6% CaO, 36,6% ZnO, 20,0% P2O5 und 20,4% SO3.
Beispiel 1
An Testkörpern, die aus einem umspritzten Metall-Einlegeteil bestehen, wird die Dichtheit geprüft. Verglichen werden dabei Testkörper mit einer Umspritzung aus einem Glas/Kunststoff- Compound auf der Basis von Polyphenylensulfid mit einem Anteil von 60 Gew.-% Sulfophosphatglas ("PPS+SPG60") bzw. aus einem handelsüblichen Polyphenylensulfid mit 40 Gew.-% Glasfasern ("PPS+GF40") bzw. aus einem handelsüblichen Polyphthalamid mit 33 Gew.-% Glasfasern ("PPA+GF33"), das vom Hersteller bereits auf die Haftung zu Metall optimiert ist. Die Testkörper, bei denen das Einlegeteil aus versilbertem Kupfer besteht, werden unter folgenden Bedingungen hergestellt:
Vorwärmtemperatur Einlegeteil: 160 DEG C
Werkzeugtemperatur: 150 DEG C
Massetemperatur PPS+SPG60: 335 DEG C
Massetemperatur PPS+GF40: 330 DEG C
Massetemperatur PPA+GF33: 335 DEG C
Zur Prüfung werden die Testkörper in eine Druckapparatur eingebaut und mit Überdruck beaufschlagt. Als Druckübertragungs- und Prüfmedium dient Wasser.
Es wird nach folgendem Programm geprüft:
Prüfung 1
24 h nach Probekörperherstellung
3 min bei 1 bar, dann Druckerhöhung 3 min bei 2 bar
Dunk-Test
140 DEG C 30 min -> Eiswasser 2 min (5 Zyklen)
Prüfung 2
nach Dunk-Test 5 Zyklen
3 min bei 1 bar, dann Druckerhöhung 3 min bei 2 bar
Dunk-Test
140 DEG C 30 min -> Eiswasser 2 min (5 Zyklen)
Prüfung 3
nach Dunk-Test 10 Zyklen
3 min bei 1 bar, dann Druckerhöhung 3 min bei 2 bar
Prüfung 4
weitere Druckerhöhung in 1 bar-Schritten
3 min bei 3 bar, 3 min bei 4 bar . . . 3 min bei 10 bar (Ende)
Die Ergebnisse der Dichtigkeitsprüfung sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst. Es zeigt sich, dass mit den Glas/Kunststoff-Compounds nach der Erfindung eine wesentlich bessere Dichtheit von Kunststoff/Metall-Verbundsystemen in einem einzigen Verarbeitungsschritt erreicht wird (d = dicht, u = undicht).
Beispiel 2
Lead-frame-Bänder (Bandmaterial: versilbertes Kupfer) werden mit einem Glas/Kunststoff-Compound auf der Basis von Polyphenylensulfid mit einem Anteil von 40 Gew.-% Sulfophosphatglas ("PPS+SPG40") umspritzt. Die Versuche werden auf Serienwerkzeug unter Serienbedingungen durchgeführt:
Vorwärmtemperatur Lead-frame-Band: 190 DEG C
Werkzeugtemperatur: 190 DEG C
Massetemperatur PPS+SPG40: 330 DEG C
Zur Dichtheitsprüfung werden die umspritzten Bänder mit einer Kriechflüssigkeit beaufschlagt (Standardtest). Dabei konnte kein Eindringen von Kriechflüssigkeit in die Grenzfläche zwischen Lead-frame-Band und Umspritzung beobachtet werden. Dies stellt eine deutliche Verbesserung im Vergleich mit den Materialien PPS+GF40 und PPA+GF33 dar.
Beispiel 3
Bei der Pin-Durchführung in einem Relaisgrundkörper (Pin- Material: Kupfer) dient als Grundkörper ein Glas/Kunststoff- Compound auf der Basis von Polyphenylensulfid mit einem Anteil von 40 Gew.-% Sulfophosphatglas ("PPS+SPG40"). Die Versuche werden auf Serienwerkzeug unter Serienbedingungen durchgeführt:
Werkzeugtemperatur: 150 DEG C
Massetemperatur PPS+SPG40: 335 DEG C
Die Dichtheitsprüfung erfolgt als Unterdruckprüfung in einer Standardprüfapparatur. Unter Standardbedingungen konnte dabei kein Abfall des angelegten Unterdruckes festgestellt werden. Bei den derzeit eingesetzten Materialien für den Relaisgrundkörper ist dagegen ein nachträgliches Vergiessen des Bauteils (mit einem Duroplastgiessharz) notwendig, um im Standardtest die geforderte Dichtheit der Pin-Durchführung sicherzustellen.
